Le transport de particules solides par les écoulements turbulents près des parois est l'objet de nombreuses applications environnementales telles que les problèmes d'érosion, de dépôt ou de particules de sable en saltation. Malgré les progrès dans les techniques expérimentales et les simulations, des interrogations persistent dans la compréhension des mécanismes de transport des particules près de la paroi. Nombreuses études ont été consacrées à ce problème. Par simulationnumerique directe (DNS) couplée avec le suivi lagrangien de particules ponctuelles, Zamansky et al. (2011) ont trouvé que contrairement à ce qui est observé en turbulence homogène isotrope, près de la paroi les particules solides se concentrent de manière préférentielle dans les régions de forte RMS d'acceleration longitudinale. L'objectif de ce travail est de vérifier si cette observation est toujours vraie lorsque la taille des particules est prise en compte dans les simulations. Pour cela, un code pseudo-spectral de DNS est couplé avec une méthode de frontières immergées (Uhlmann, 2005). Le couplage est valide dans différents cas en 2D ou 3D d'obstacles fixes ou en déplacement. Un bon accord est atteint avec les résultats d'autres études expérimentales ou numériques. Ensuite, des particules de taille finie avec différents nombres de Stokes et densités sont suivies à chaque instant dans un écoulement de canal turbulent. Les statistiques de vitesse et d'accélération sont analysées. Un intérêt particulier est porté sur les PDF d'accélération des particules, du fluide et du fluide au voisinage des particules. Dans la mesure du possible, les résultats sont comparés à ceux obtenus par le suivi lagrangien de particules ponctuelles / Particle transport by turbulent wall flow is a crucial issue in many environmental problems such as erosion, particle deposition and sand saltation. Despite great technological advances in measurement techniques as well as in numerical simulations, the understanding of the transport mechanism close to the wall is still incomplete. Many numerical studies have been devoted to this issue. By direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow coupled with Lagrangian tracking of pointwise particles, Zamansky et al. (2011) found that contrary to what is observed in homogeneous isotropic turbulence, close to the wall pointwise particles cluster in regions of high streamwise RMS acceleration. The aim of the present study is to explore if this is still the case when size effects are taken into account in the DNS. Therefore, a pseudo-spectral DNS code is coupled with an immersed boundary technique (Uhlmann, 2005). The coupling is validated in the case of 2D and 3D moving and fixed bodies. Good agreement is achieved with other experimental and numerical studies. Then, finite-size particles with different Stokes numbers and density ratios are tracked at each time step in a turbulent channel flow. The velocity and acceleration statistics are analyzed. Particular attention is given to acceleration PDF of the solid phase, the fluid phase and the fluid in the vicinity of particles. The results are compared to the pointwise model

Résumé : La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant. La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents. La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure. __________________________________________________________________________________ Abstract : A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them. The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different. The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.

Thèse de doctorat : Sciences : Mathématiques Appliquées : Toulon : 2002. / Thèse publiée sur le site TEL. Bibliographie p.243-247.

Thèse de doctorat : Physique : Lyon, École normale supérieure (sciences) : 2003. / Bibliogr. p. [243]-248.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Tunis, ENIT : 2005. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 121 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 151-154.

Thèse de doctorat : Sciences : Mathématiques Appliquées : Toulon : 2002. / Titre provenant du cadre-titre. Bibliographie p.243-247.

Thèse doctorat : Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 232-242.

Thèse de doctorat : Génie des procédés : Orléans : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 278-372.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2007. Reproduction de : Thèses de doctorat : Chemical and biomolecular engineering : Sydney, University of Sydney : 2007. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 277 réf.